Солнечные батареи квантовые точки

Олимпиада — 2008 (олимпиады 2007, 2009, 2010)

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Наногибриды сражаются с опасными бактериями в клетках человека. Активный гидродинамический плащ-невидимка. Кобальтсодержащие фуллереновые комплексы для водородных накопителей.

Взгляд в Наномир! В контакте!
Как увидеть атомы, молекулы и вирусы?
Как детально рассмотреть объекты живой природы масштаба НАНО?
Принцип действия и из чего состоит атомно силовой микроскоп.
Обо всем об это расскажет профессор МГУ имени М.В.Ломоносова, руководитель компании Центр перспективных технологий, автор более 200 работ по зондовой микроскопии – Яминский Игорь Владимирович.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Новые 3D пористые наноуглеродные материалы из панцирей морских крабов. Клапан без клапана: как идёт воздух в лёгких у птиц. Углеродные фуллертрубки: от полупроводников до металлов. Механическое напряжение и
поверхностное натяжение скирмионов.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2021
Коллектив авторов
Защиты выпускных квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 — «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 8, 9, 10 и 11 июня 2021 г. Начало защит в 11.00. Защиты пройдут с использованием дистанционных образовательных технологий.

Академик Е.Н. Каблов: «Для освоения космоса нужны новые материалы»
Янина Хужина
В этом году весь мир отмечает 60-летие первого полета человека в космос. Успех миссии Юрия Гагарина стал возможен благодаря слаженной работе многих людей: физиков, математиков, конструкторов, инженеров-проектировщиков и, конечно, материаловедов. «Научная Россия» обсудила с академиком РАН Евгением Кабловым основные вехи в развитии космического и авиационного материаловедения.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2021 году
коллектив авторов
25 — 28 мая пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID — 19.

Технонано

Технопредпринимательство — идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы — важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

Источник

Солнечный элемент на квантовых точках — Quantum dot solar cell

Квантовая точка солнечные батареи ( QDSC ) представляют собой солнечный элемент дизайн , который использует квантовые точки в качестве поглощающего фотоэлектрического материала. Он пытается заменить объемные материалы, такие как кремний , селенид меди, индия, галлия ( CIGS ) или теллурид кадмия ( CdTe ). Квантовые точки имеют запрещенные зоны, которые можно настраивать в широком диапазоне уровней энергии, изменяя их размер. В сыпучих материалах ширина запрещенной зоны определяется выбором материала (материалов). Это свойство делает квантовые точки привлекательными для многопереходных солнечных элементов , в которых используются различные материалы для повышения эффективности за счет сбора нескольких частей солнечного спектра .

По состоянию на 2019 год КПД превышает 16,5%.

СОДЕРЖАНИЕ

Задний план

Концепции солнечных батарей

В обычном солнечном элементе свет поглощается полупроводником , образуя электронно-дырочную (eh) пару; пара может быть связанной и называется экситоном . Эта пара разделена внутренним электрохимическим потенциалом (присутствующим в pn-переходах или диодах Шоттки ), и возникающий поток электронов и дырок создает электрический ток. Внутренний электрохимический потенциал создается за счет легирования одной части границы раздела полупроводника атомами, которые действуют как доноры электронов (легирование n-типа), а другой — акцепторами электронов (легирование p-типа), что приводит к образованию pn-перехода . Для генерации пары eh требуется, чтобы энергия фотонов превышала ширину запрещенной зоны материала. Фактически, фотоны с энергией ниже ширины запрещенной зоны не поглощаются, тогда как фотоны с более высокой энергией могут быстро (в течение примерно 10 -13 с) термализоваться к краям зоны, уменьшая выходную мощность. Первое ограничение снижает ток , а термализация снижает напряжение . В результате полупроводниковые элементы страдают от компромисса между напряжением и током (который можно частично уменьшить, используя реализации с несколькими переходами). В детальном расчете баланса показывает , что эта эффективность не может превышать 33% , если использовать один материал с идеальной шириной запрещенной зоной 1,34 эВ в течение солнечного элемента.

Ширина запрещенной зоны (1,34 эВ) идеального однопереходного элемента близка к ширине запрещенной зоны кремния (1,1 эВ), что является одной из многих причин доминирования кремния на рынке. Однако эффективность кремния ограничена примерно 30% ( предел Шокли – Кейссера ). Можно улучшить однопереходную ячейку путем вертикального наложения ячеек с различными запрещенными зонами — это называется «тандемным» или «многопереходным» подходом. Тот же анализ показывает, что в двухслойной ячейке один слой должен быть настроен на 1,64 эВ, а другой — на 0,94 эВ, что обеспечивает теоретическую производительность 44%. Трехслойная ячейка должна быть настроена на 1,83, 1,16 и 0,71 эВ с эффективностью 48%. Ячейка с «бесконечным слоем» будет иметь теоретический КПД 86%, остальное будут составлять другие механизмы термодинамических потерь.

Традиционные методы получения (кристаллического) кремния не подходят для этого подхода из-за отсутствия возможности настройки ширины запрещенной зоны. Тонкие пленки аморфного кремния , которые из-за ослабления требований к сохранению импульса кристалла могут обеспечивать прямую запрещенную зону и перемешивание углерода, могут регулировать ширину запрещенной зоны, но другие проблемы не позволяют им соответствовать характеристикам традиционных элементов. Большинство структур с тандемными ячейками основано на полупроводниках с более высокими характеристиками, в частности, на арсениде индия-галлия (InGaAs). Трехслойные ячейки InGaAs / GaAs / InGaP (ширина запрещенной зоны 0,94 / 1,42 / 1,89 эВ) удерживают рекорд эффективности 42,3% для экспериментальных примеров.

Однако КДСК страдают от слабого поглощения, и вклад поглощения света при комнатной температуре незначителен. Эту проблему можно решить, используя разветвленные нанозвезды Au.

Квантовые точки

Квантовые точки — это полупроводниковые частицы, которые были уменьшены до размера ниже экситонного радиуса Бора, и из соображений квантовой механики энергии электронов, которые могут существовать внутри них, становятся конечными, очень похожими на энергии в атоме. Квантовые точки называют «искусственными атомами». Эти уровни энергии можно настраивать, изменяя их размер, который, в свою очередь, определяет ширину запрещенной зоны. Точки можно выращивать в различных размерах, что позволяет им отображать различные запрещенные зоны без изменения основного материала или методов строительства. В типичных приготовлениях влажной химии настройка осуществляется путем изменения продолжительности синтеза или температуры.

Возможность настройки ширины запрещенной зоны делает квантовые точки желательными для солнечных элементов. Для спектра распределения солнечных фотонов предел Шокли-Кайссера указывает, что максимальная эффективность преобразования солнечной энергии происходит в материале с шириной запрещенной зоны 1,34 эВ. Однако материалы с меньшей шириной запрещенной зоны лучше подходят для выработки электричества из фотонов с меньшей энергией (и наоборот). Реализации с одним переходом с использованием коллоидных квантовых точек (CQD) сульфида свинца (PbS) имеют запрещенную зону, которая может быть настроена на дальний инфракрасный диапазон, частоты, которые обычно трудно достичь с помощью традиционных солнечных элементов. Половина солнечной энергии, достигающей Земли, находится в инфракрасном диапазоне, большая часть — в ближнем инфракрасном диапазоне. Солнечный элемент с квантовыми точками делает инфракрасную энергию такой же доступной, как и любая другая.

Более того, CQD легко синтезировать и получать. Будучи суспендированными в коллоидной жидкой форме, с ними легко обращаться на протяжении всего производства, а вытяжной шкаф является наиболее сложным необходимым оборудованием. CQD обычно синтезируются небольшими партиями, но могут производиться серийно. Точки можно распределить на подложке методом центрифугирования вручную или в автоматическом режиме. В крупномасштабном производстве можно использовать системы распыления или рулонной печати, что значительно снижает затраты на строительство модулей.

Производство

В ранних примерах использовались дорогостоящие процессы молекулярно-лучевой эпитаксии . Однако несоответствие решеток приводит к накоплению деформации и, как следствие, возникновению дефектов, ограничивая количество уложенных слоев. Методика роста капельной эпитаксии показывает свои преимущества при изготовлении бездеформационных квантовых точек. В качестве альтернативы позже были разработаны менее дорогие методы изготовления. Они используют влажную химию (для CQD) и последующую обработку раствора. Концентрированные растворы наночастиц стабилизируются длинными углеводородными лигандами, которые удерживают нанокристаллы во взвешенном состоянии в растворе.

Для создания твердого вещества эти растворы разрушают, а длинные стабилизирующие лиганды заменяют короткоцепочечными сшивающими агентами. Химическая инженерия поверхности нанокристаллов может лучше пассивировать нанокристаллы и уменьшить нежелательные состояния ловушек, которые могут снизить производительность устройства за счет рекомбинации носителей. Такой подход дает КПД 7,0%.

В более позднем исследовании используются разные лиганды для различных функций путем настройки их относительного выравнивания полос для повышения производительности до 8,6%. Клетки обрабатывали раствором на воздухе при комнатной температуре и без инкапсуляции демонстрировали стабильность на воздухе в течение более 150 дней.

В 2014 году было введено использование йодида в качестве лиганда, который не связывается с кислородом. Это поддерживает стабильные слои n- и p-типа, повышая эффективность поглощения, что обеспечивает эффективность преобразования энергии до 8%.

История

Идея использования квантовых точек в качестве пути к высокой эффективности была впервые отмечена Бернхэмом и Дагганом в 1989 году. В то время наука о квантовых точках, или «колодцах», как их называли, находилась в зачаточном состоянии, и ранние примеры были всего лишь становится доступным.

Усилия DSSC

Другой современный дизайн элемента — сенсибилизированный красителем солнечный элемент , или DSSC. В DSSC используется губчатый слой TiO.
2 в качестве полупроводникового клапана, а также механической опорной конструкции. Во время строительства губка заполняется органическим красителем, обычно рутениевым полипиридином, который вводит электроны в диоксид титана при фотовозбуждении. Этот краситель относительно дорогой, а рутений — редкий металл.

Использование квантовых точек в качестве альтернативы молекулярным красителям рассматривалось с первых дней исследований DSSC. Возможность настройки ширины запрещенной зоны позволила проектировщику выбрать более широкий спектр материалов для других частей ячейки. Совместные группы из Университета Торонто и Федеральной политехнической школы Лозанны разработали конструкцию, основанную на заднем электроде, непосредственно контактирующем с пленкой квантовых точек, устраняя электролит и формируя обедненный гетеропереход . Эти элементы достигли КПД 7,0%, что лучше, чем у лучших твердотельных устройств DSSC, но ниже, чем у устройств на основе жидких электролитов.

Многопереходный

Традиционно многопереходные солнечные элементы изготавливаются из множества полупроводниковых материалов. Поскольку каждый материал имеет различную ширину запрещенной зоны, pn переход каждого материала будет оптимизирован для различной длины волны входящего света. Использование нескольких материалов обеспечивает поглощение в более широком диапазоне длин волн, что увеличивает эффективность электрического преобразования ячейки.

Однако использование нескольких материалов делает многопереходные солнечные элементы слишком дорогими для многих коммерческих применений. Поскольку запрещенная зона квантовых точек может быть настроена путем регулирования радиуса частицы, многопереходные ячейки могут быть изготовлены путем включения полупроводников с квантовыми точками разного размера (и, следовательно, с разной шириной запрещенной зоны). Использование того же материала снижает производственные затраты, а расширенный спектр поглощения квантовых точек можно использовать для увеличения тока короткого замыкания и общей эффективности ячейки.

Теллурид кадмия (CdTe) используется для ячеек, которые поглощают несколько частот. Коллоидная суспензия этих кристаллов отливается центрифугированием на подложку, такую ​​как тонкое предметное стекло, залитое в проводящий полимер . В этих ячейках не использовались квантовые точки, но были общие с ними функции, такие как спин-литье и использование тонкопленочного проводника. При небольших масштабах производства квантовые точки дороже нанокристаллов, производимых серийно, но кадмий и теллурид — редкие и высокотоксичные металлы, подверженные колебаниям цен.

Sargent Group использовала сульфид свинца в качестве чувствительного к инфракрасному излучению донора электронов для производства солнечных батарей с инфракрасным излучением с рекордной эффективностью. Спин-литье может позволить построить «тандемные» ячейки при значительно сниженных затратах. В оригинальных элементах в качестве электрода использовалась золотая подложка, хотя никель тоже работает.

Захват горячих носителей

Другой способ повысить эффективность — улавливать дополнительную энергию электрона, испускаемого из материала с одной запрещенной зоной. В традиционных материалах, таких как кремний, расстояние от места эмиссии до электрода, где они собираются, слишком велико, чтобы это могло произойти; электрон будет претерпевать множество взаимодействий с кристаллическими материалами и решеткой, отдавая эту дополнительную энергию в виде тепла. В качестве альтернативы использовался аморфный тонкопленочный кремний, но дефекты, присущие этим материалам, превзошли их потенциальное преимущество. Современные тонкопленочные элементы обычно менее эффективны, чем традиционные кремниевые.

Наноструктурированные доноры можно отливать в виде однородных пленок, что позволяет избежать проблем с дефектами. Это может быть связано с другими проблемами, присущими квантовым точкам, в частности с проблемами удельного сопротивления и удержания тепла.

Множественные экситоны

Предел Шокли-Кайссера, который устанавливает максимальную эффективность однослойного фотоэлектрического элемента равной 33,7%, предполагает, что только одна электронно-дырочная пара (экситон) может генерироваться на приходящий фотон. Генерация множественных экситонов (MEG) — это путь релаксации экситонов, который позволяет генерировать два или более экситона на приходящий фотон высокой энергии. В традиционных фотоэлектрических элементах эта избыточная энергия теряется в объеме материала в виде колебаний решетки (электрон-фононная связь). МЭГ возникает, когда эта избыточная энергия передается для возбуждения дополнительных электронов через запрещенную зону, где они могут вносить вклад в плотность тока короткого замыкания.

Внутри квантовых точек квантовое ограничение увеличивает кулоновские взаимодействия, которые управляют процессом МЭГ. Это явление также снижает скорость электрон-фононного взаимодействия, которое является основным методом релаксации экситонов в объемных полупроводниках. Узкое место фонона замедляет скорость охлаждения горячих носителей заряда, что позволяет экситонам следовать другим путям релаксации; это позволяет МЭГ доминировать в солнечных элементах с квантовыми точками. Скорость MEG может быть оптимизирована путем адаптации химии лиганда квантовой точки, а также путем изменения материала и геометрии квантовой точки.

В 2004 году Лос-Аламосская национальная лаборатория сообщила о спектроскопических доказательствах того, что несколько экситонов могут эффективно генерироваться при поглощении одного энергичного фотона в квантовой точке. Их захват позволит уловить больше энергии солнечного света. В этом подходе, известном как «умножение несущих» (CM) или « генерация множественных экситонов » (MEG), квантовая точка настраивается на высвобождение нескольких электронно-дырочных пар с более низкой энергией вместо одной пары с высокой энергией. Это увеличивает эффективность за счет увеличения фототока. Точки LANL были сделаны из селенида свинца .

В 2010 году Университет Вайоминга продемонстрировал аналогичную производительность с использованием ячеек DCCS. Свинцово-серные (PbS) точки демонстрировали выброс двух электронов, когда входящие фотоны имели примерно в три раза большую ширину запрещенной зоны.

В 2005 году NREL продемонстрировал МЭГ в квантовых точках, производящих три электрона на фотон и теоретическую эффективность 65%. В 2007 году они достигли аналогичного результата в кремнии.

Неокисляющий

В 2014 году группа из Университета Торонто произвела и продемонстрировала тип клетки CQD n-типа с использованием PbS со специальной обработкой, чтобы она не связывалась с кислородом. Ячейка достигла эффективности 8%, что немного меньше текущего рекорда эффективности квантовых точек. Такие ячейки создают возможность «распыления» ячеек без покрытия. Однако эти стабильные на воздухе УКТ n-типа фактически были изготовлены в бескислородной среде.

Также в 2014 году другая исследовательская группа в Массачусетском технологическом институте продемонстрировала устойчивые к воздуху солнечные элементы из ZnO / PbS, которые были изготовлены на воздухе и достигли сертифицированной рекордной эффективности 8,55% (9,2% в лаборатории), поскольку они хорошо поглощали свет, а также переносили заряд на коллекторы на край клетки. Эти элементы демонстрируют беспрецедентную устойчивость к воздуху для солнечных элементов с квантовыми точками, так как их характеристики остаются неизменными в течение более 150 дней хранения на воздухе.

Введение на рынок

Коммерческие провайдеры

Хотя солнечные элементы с квантовыми точками еще не стали коммерчески жизнеспособными в массовом масштабе, несколько небольших коммерческих поставщиков начали продавать фотоэлектрические продукты с квантовыми точками. Инвесторы и финансовые аналитики определили фотоэлектрические элементы с квантовыми точками как ключевую технологию будущего для солнечной энергетики.

• Quantum Materials Corp. (QMC) и дочерняя компания Solterra Renewable Technologies разрабатывают и производят квантовые точки и наноматериалы для использования в солнечной энергии и освещении. С помощью запатентованного непрерывного процесса производства квантовых точек перовскита QMC надеется снизить стоимость производства солнечных элементов с квантовыми точками в дополнение к применению своих наноматериалов в других развивающихся отраслях промышленности.
• QD Solar использует настраиваемую ширину запрещенной зоны квантовых точек для создания многопереходных солнечных элементов. Комбинируя эффективные кремниевые солнечные элементы с инфракрасными солнечными элементами из квантовых точек, QD Solar стремится использовать больше солнечного спектра. Неорганические квантовые точки QD Solar обрабатываются с помощью высокопроизводительных и экономичных технологий и более устойчивы к свету и воздуху, чем полимерные наноматериалы.
• UbiQD разрабатывает фотоэлектрические окна с использованием квантовых точек в качестве флуорофоров. Они разработали люминесцентный солнечный концентратор (LSC) с использованием квантовых точек ближнего инфракрасного диапазона, который дешевле и менее токсичен, чем традиционные альтернативы. UbiQD надеется предоставить полупрозрачные окна, которые превращают пассивные здания в блоки для выработки энергии, одновременно снижая приток тепла в здании.
• ML System SA, производитель BIPV, котирующийся на Варшавской фондовой бирже, намерен начать массовое производство своей продукции QuantumGlass в период с 2020 по 2021 год.

Соображения безопасности

Многие полупроводники с квантовыми точками тяжелых металлов (халькогениды свинца / кадмия, такие как PbSe, CdSe) могут быть цитотоксичными и должны быть заключены в стабильную полимерную оболочку для предотвращения воздействия. Нетоксичные материалы с квантовыми точками, такие как нанокристаллы AgBiS2, были исследованы в связи с их безопасностью и распространенностью; Исследования с солнечными элементами на основе этих материалов продемонстрировали сравнимую эффективность преобразования и плотности тока короткого замыкания. Материал квантовых точек CuInSe2-X от UbiQD — еще один пример нетоксичного полупроводникового соединения.

Источник